William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Pytania

16.1 Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne

Wytłumacz, jak prąd przesunięcia pomaga w wyjaśnieniu zachowania ciągłości przepływu prądu w obwodzie zawierającym kondensator.

Opisz, jak będą wyglądać linie pola magnetycznego wyindukowanego wzdłuż krawędzi teoretycznego cylindra pokazanego na rysunku. Cylinder znajduje się w przestrzennie jednorodnym polu elektrycznym, którego wektor natężenia ma kierunek poziomy, zwrot w prawo i rosnącą wartość.

Rysunek pokazuje położony poziomo cylinder. Trzy kolumny strzałek oznaczają wektor E biegnący przez cylinder. Strzałki wskazują na prawo. Kolumna z lewej ma strzałki krótsze, a kolumny po prawej dłuższe.

Dlaczego łatwiej jest pokazać, że zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektryczne niż że zmienne pole elektryczne indukuje pole magnetyczne?

16.2 Płaskie fale elektromagnetyczne

Jeśli pole elektryczne fali elektromagnetycznej oscyluje wzdłuż osi $z$ , a pole magnetyczne oscyluje wzdłuż osi $x$ , to w jakim kierunku porusza się ta fala elektromagnetyczna?

W której z sytuacji pokazanych na rysunku fala elektromagnetyczna wyindukuje w przewodzie prąd o wyższym natężeniu? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Rysunki a i b pokazują fale elektromagnetyczne wraz ze swymi obydwiema składowymi elektryczną i magnetyczną. Na rysunku a, pole elektryczne jest równoległe do przewodu, a pole magnetyczne jest prostopadłe. Na rysunku b, pole magnetyczne jest równoległe do przewodu a pole elektryczne jest prostopadłe.

W której z sytuacji pokazanych na rysunku fala elektromagnetyczna wyindukuje w pętli prąd o wyższym natężeniu? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Rysunek a i b przedstawia fale elektromagnetyczne ze swymi obydwoma składowymi elektryczną i magnetyczną przechodzące przez pętlę podłączoną do tunera. Na rysunku a, pole elektryczne jest równoległe do pętli a pole magnetyczne jest prostopadłe. Na rysunku b, pole magnetyczne jest równoległe do pętli a pole elektryczne jest prostopadłe.

Jakie warunki muszą zostać spełnione, by obwód, w którym prąd płynie tylko w jednym kierunku, emitował fale elektromagnetyczne?

Poniżej zaprezentowano wzór interferencyjny fal pochodzących z dwóch wież radiowych nadających ten sam sygnał. Wyjaśnij, w jaki sposób jest on podobny do wzoru interferencyjnego fal dźwiękowych emitowanych przez dwa głośniki. Czy to zjawisko mogłoby zostać wykorzystane do stworzenia anteny kierunkowej, która nadaje w konkretnym kierunku? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Rysunek przedstawia fale jako okręgi promieniowania z dwóch punktów leżących jeden obok drugiego. Punkty gdzie okręgi przecinają się są podświetlone i oznaczone jako interferencja dodatnia. Strzałki łączące punkty dodatniej interferencji promieniowania skierowane są na zewnątrz. Oznaczony jest kierunek dodatniej interferencji.

16.3 Energia niesiona przez fale elektromagnetyczne

Dlaczego, gdy stoisz na dworze w pełnym Słońcu, czujesz energię światła słonecznego, ale nie czujesz pędu przenoszonego przez to światło?

10.

Jak natężenie fali elektromagnetycznej zależy od natężenia pola elektrycznego? Jak zależy ono od natężenia pola magnetycznego?

11.

Jakie jest fizyczne znaczenie wektora Poyntinga?

12.

Laser helowo-neonowy o mocy $2 mW$ emituje stały promień czerwonego światła o powierzchni przekroju poprzecznego równej $0,25 {cm}^{2}$ . Zakładając, że wiązka nie rozbiega się znacząco, jak zmienia się wartość skuteczna natężenia pola elektrycznego w zależności od odległości od lasera? Wyjaśnij dlaczego.

16.4 Pęd i ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego

13.

Dlaczego ciśnienie promieniowania fali elektromagnetycznej odbijającej się od idealnego zwierciadła jest dwukrotnie większe od ciśnienia promieniowania fali elektromagnetycznej absorbowanej przez idealny absorber?

14.

Dlaczego wczesne zdjęcia zbliżającej się do Ziemi komety ISON, wykonane przez teleskop Hubble’a, pokazują jedynie małą rozmytą komę wokół jądra zamiast w pełni rozwiniętych dwóch ogonów, które widoczne były później (patrz rysunek poniżej; Źródło ilustracji: ESA, Hubble)?

Zdjęcie komety wykonane przez teleskop Hubble'a. Z rozmytego światła wokół ukazują się jasne kropki.

15.

Odpowiedz na poniższe pytania.

Jak zmieniłby się kierunek rozchodzenia się fali elektromagnetycznej, gdyby zamieniono z sobą kierunki oscylacji pola elektrycznego i magnetycznego?
Co stałoby się, gdyby zwroty wektorów $\vec{E}$ i $\vec{B}$ zostały zamienione na przeciwne?

16.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

16.

Porównaj prędkość, długość fali i częstotliwość fal radiowych i promieni X przemieszczających się w próżni.

17.

Przyspieszające ładunki emitują fale elektromagnetyczne. Jak odnosi się to do

fal radiowych;
promieniowania podczerwonego?

18.

Porównaj i rozróżnij znaczenie przedrostka „mikro” w układzie jednostek SI i w nazwie „mikrofale”.

19.

Część światła przenikającego przez atmosferę jest rozpraszana we wszystkich kierunkach przez cząsteczki w niej się znajdujące. Długości fal światła widzialnego są większe niż rozmiary molekuł, a rozpraszanie jest tym silniejsze, im długość fali bliższa rozmiarowi cząsteczek.

Który kolor jest najsilniej rozpraszany?
Wyjaśnij, dlaczego ten proces daje niebu znajomy kolor w ciągu dnia.

20.

Gdy wyjmujemy miskę zupy z kuchenki mikrofalowej, zupa jest gorąca, podczas gdy miska jest jedynie ciepła w dotyku. Przedyskutuj tę różnicę temperatur w kategoriach przekazywania energii.

21.

Pewne orientacje anteny telewizyjnej dają lepszy odbiór sygnału niż inne. Wyjaśnij dlaczego.

22.

Jaka własność światła odpowiada głośności dźwięku fal akustycznych?

23.

Czy światło widzialne jest dominującym zakresem widma fal elektromagnetycznych?

24.

Czy ciało ludzkie jest zdolne do wykrywania promieniowania elektromagnetycznego spoza zakresu światła widzialnego?

25.

Fale radiowe mają zazwyczaj ściśle zdefiniowane kierunki oscylacji wektorów $\vec{E}$ i $\vec{B}$ . Dla światła kierunki oscylacji pola $\vec{E}$ i $\vec{B}$ są losowe i szybko się zmieniają, pozostając jednak prostopadłe do siebie nawzajem i kierunku rozchodzenia się. Możesz wyjaśnić dlaczego?

26.

Podaj przykład wykorzystania rezonansu w odbiorze fal elektromagnetycznych.

27.

Pokaż, że rozmiary najmniejszych detali, które można zaobserwować przy pomocy fal elektromagnetycznych, są powiązane z długością tych fal. Możesz to zrobić przez porównanie rozmiarów najmniejszych detali obserwowanych w dwóch różnych zakresach (np. światła widzialnego i mikrofal).

28.

W jakim zakresie fal elektromagnetycznych znajduje się fala

$f = 10 kHz$ ;
$λ = 750 nm$ ;
$f = 1,25 \cdot 10^{8} Hz$ ;
$λ = 0,3 nm$ ?

29.

Na jaki zakres widma fal elektromagnetycznych przypadają fale emitowane przez 50-hercowe linie przesyłowe?

30.

Gdyby kuchenki mikrofalowe mogły być dostrojone tak, by emitowały promieniowanie podczerwone zamiast mikrofalowego, jak wpłynęłoby to na problem nierównomiernego grzania w takiej kuchence?

31.

„Przeciekająca” (wypuszczająca ze środka mikrofale) kuchenka mikrofalowa może czasami powodować zakłócenia domowej sieci WiFi. Dlaczego?

32.

Gdy prezenter prowadzący program informacyjny rozmawia z korespondentem znajdującym się w odległym kraju, często da się zaobserwować pewne opóźnienie w rozmowie. Wyjaśnij, co powoduje to opóźnienie.